热敏电阻传感器的应用及特性实验

热敏电阻传感器的应用及特性实验

一、 实验目的

1. 掌握热敏电阻的工作原理。

2. 掌握热敏电阻测温程序的工作原理。

二、实验内容

1. 分析热敏电阻传感器测量电路的原理；

2. 连接传感器物理信号到电信号的转换电路；

3. 软件观测温度变化时输出信号的变化情况；

4. 记录实验波形数据并进行分析。

三、实验所需设备及元器件

1. 开放式传感器电路实验主板；

2. 热敏电阻温度测量模块；

3. 温度计；

4. 导线若干。

四、实验基本原理

热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件（如图1-1所示）。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化。若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：σ=q（n,μn, p,μp)因为n、p、μn、μp 都是依赖温度T 的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线。

图1-1 热敏电阻外观 热敏电阻是电阻值随温度变化的半导体传感器。它的温度系数很大，比温差电偶和线绕电阻测温元件的灵敏度高几十倍，适用于测量微小的温度变化。热敏电阻体积小、热容量小、响应速度快，能在空隙和狭缝中测量。它的阻值高,测量结果受引线的影响小,可用于远距离测量。它的过载能力强，成本低廉。但热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，所以它只能在较窄的范围内用于精确测量。热敏电阻在一些精度要求不高的测量和控制装置中得到广泛应用。热敏电阻按电阻温度特性分为三类。

（1）负温度系数热敏电阻（NTC）：在工作温度范围内温度系数一般为-（1~6）％/C°。

（2）正温度系数热敏电阻（PTC）：又分为开关型和缓变型，开关型在居里点的温度系数大约（10~60）％/C°，缓变型一般为（0.5~8）％/C°。

（3）临界负温度系数热敏电阻（CTR）：NTC热敏电阻可用于温度计、温差计、热辐射计、红外探测器和比热计中作为检测元件。测温范围为-60 至+300℃，在更高的温度时其稳定性开始变差。NTC热敏电阻的标称阻值一般在1Ω至100MΩ之间。采用精密电阻和热敏电阻的各种组合网络可扩大测量温度线性范围。用热敏电阻制成的探头有珠状、棒杆状、片状和薄膜等形式，封装外壳多用玻璃、镍和不锈钢管等套管结构。测温时安装方法会影响测量精度。

负温度系数热敏电阻器是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC 热敏电阻器在室温下的变化范围在100~1000000 欧姆，温度系数-2% 至-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

关于NTC负温度系数热敏电阻的测量公式和专业术语：

零功率电阻值RT（Ω）：指在规定温度T 时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。

电阻值和温度变化的关系式为：RT=RN*expB*(1/T-1/TN)

RT：在温度T（K）时的NTC 热敏电阻阻值；

RN：在额定温度TN（K）时的NTC 热敏电阻阻值；

T：规定温度（K）；B：NTC 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数；

exp：以自然数e 为底的指数（e=2.71828…）

该关系式是经验公式，只在额定温度TN 或额定电阻阻值RN 的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B 本身也是温度T 的函数。

测量原理：

额定零功率电阻值R25（Ω）：根据国标规定，额定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值R25，这个电阻值就是NTC 热敏电阻的标称电阻值。

材料常数（热敏指数）B 值（K）：B 值被定义为：

00ln11TRRBTT

T0 T

50 100

273.15+50 273.15+100

5K 1K

RT1：温度 T1（K）时的零功率电阻值。

RT2：温度 T2（K）时的零功率电阻值。

T1，T2：两个被指定的温度（K）。

对于常用的 NTC 热敏电阻，B 值范围一般在2000K~6000K 之间。

零功率电阻温度系数（αT）：在规定温度下，NTC 热敏电阻零动功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。

2d1dTTTRBRTT

αT：温度T（K）时的零功率电阻温度系数。

RT：温度T（K）时的零功率电阻值。

T：温度（T）

B：材料常数。

耗散系数（δ）：在规定环境温度下，NTC 热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。

δ：NTC 热敏电阻耗散系数，（ mW/ K ）。

△P：NTC 热敏电阻消耗的功率（ mW ）。

△T：NTC 热敏电阻消耗功率△ P 时，电阻体相应的温度变化（ K ）。

热时间常数(τ)：在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两

个温度差的 63.2% 时所需的时间，热时间常数与 NTC 热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。

τ：热时间常数（S）。

C：NTC 热敏电阻的热容量。

δ：NTC 热敏电阻的耗散系数。 额定功率Pn：在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。

最高工作温度Tmax：在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期连续工作所允许的最高温度。

T0：环境温度。

测量功率Pm：热敏电阻在规定的环境温度下，阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。

图1-2 B值相同，阻值不同的 R-T 特性曲线示意图

图1-3 阻值相同，B值不同的R-T特性曲线示意图

实验中NTC 测量温度的流程为：利用ELVIS的万用表电阻测量功能，测出热敏电阻（NTC）的电阻值，经公式换算得到温度值。从而实现热敏电阻的温度测量目的。图1-4 为热敏电阻测温流程，图1-5 为热敏电阻测温原理图。

图1-4 热敏电阻测温流程

图1-5 热敏电阻测温原理图

四、 实验步骤

步骤一 连接设备

1．启动实验用的计算机，打开NI LabVIEW 2019软件；

2．将实验板插在NI ELVIS III的槽中，连接NI ELVIS III电源和与计算机通信的USB线；

3．打开NI ELVIS III开关，设备左边的电源灯亮。

4．参照图1-6实验连线图，正确连接实验线路。

5．打开编程开关APPLICATION BOARD POWER，板子右上方电源绿色灯亮。

步骤二 实验连线

如图1-6接线图所示，将实验板的电源和热敏电阻传感器的+5V和GND分别相连，将OUT连接至实验板上方A/AI0。

图1-6 接线图 步骤三 进行实验并记录数据 1．参考实验连线图，正确连接实验线路。

2．设置好物理通道（默认为A/AI0）点击程序中的【测量暂停】按钮，按钮变为黄色，实验程序开始运行。

3．使用万用表电阻测量的量程、设置热敏电阻NTC的B值（由生产厂家提供，默认为3950）。

4．从温度计和波形图表中读取测得的温度值和温度曲线。还可利用【保存数据】按钮存储测得的温度数据。

5．完成上述实验内容后，将实验得到的数据填入实验报告，结束实验、关闭设备电源并拆除实验连线。

六、 实验报告要求

1．按要求完整填写测试表格及测试数据。

2．分析并总结实验结果。

3．分析程序中各模块的作用。

4．写出本次实验心得体会。

七、 思考题

1．能否改进实验方法，利用实验中的R501（10K）电阻，改进测量电路，使其通过AI 采集（不使用万用表测量）从而获得温度值？

2．如何测量B值？

附：实验程序界面

附：实验程序界面